Motor DC - PWM vs Tegangan

Saat mengendalikan motor DC yang diberi nilai 5V secara teoritis saya dapat menggerakkan motor dengan cara berikut:

5V dengan 100% siklus kerja PWM.
10V dengan 50% duty cycle PWM.
20V dengan 25% siklus kerja PWM.

Apakah ada perbedaan di antara keduanya? Akankah menggunakan opsi 2/3 memperpendek umur motor? Apakah mengubah frekuensi PWM meningkatkan umur motor? Alasan untuk melakukan ini adalah mungkin untuk menggerakkan motor lebih lambat dengan tegangan yang lebih tinggi.

motor pwm

— Gilad
sumber

Saya tidak yakin saya mengikuti pernyataan terakhir mengapa Anda pikir Anda bisa mengendarai motor lebih lambat dengan tegangan yang lebih tinggi?

— PeterJ

25% dari waktu Anda akan menerapkan 4 kali tegangan pengenal. Anda akan memiliki lonjakan arus yang lebih besar bersama dengan tegangan yang lebih tinggi dan keduanya dapat merusak motor Anda bahkan jika itu hanya diterapkan 25% dari waktu.

— EwokNightmares

Anda mungkin ingin mempertimbangkan apa yang sebenarnya terjadi - tegangan hanyalah sarana untuk mendorong arus melalui motor Anda, produk dari keduanya adalah kekuatan sebenarnya. Mengontrol tegangan adalah cara yang sangat samar untuk mengendalikan motor servo DC.

— John U

Saya pikir itu juga mungkin Anda mungkin memiliki riak torsi lebih banyak sebagai hasilnya juga.

— EwokNightmares

Apa frekuensi tugas Anda? Ada lebih banyak dampak jika 1Hz, daripada 1kH :-)

— shuckc

Jawaban:

Ya, ini sangat berbeda. Drive PWM dan voltase drive secara terpisah tidak terlalu berarti, tetapi jika dikombinasikan dengan cara ini Anda akan mendapatkan kinerja yang sangat berbeda.

Secara elektrik, Anda dapat memodelkan motor sebagai induktor (belitan), resistor, dan sumber tegangan (EMF, sebanding dengan kecepatan motor). Ketika Anda menerapkan tegangan yang lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang lebih tinggi, Anda akan:

dapatkan lebih lambat melalui belitan motor, mengurangi torsi $dI/dt$
memiliki kecepatan maksimum yang lebih rendah karena EMF kembali

Dengan PWM dan tegangan yang lebih tinggi, Anda akan dapat mencapai kecepatan puncak yang lebih tinggi dan sering kali torsi lebih tinggi pada kecepatan yang sama.

Tidak ada alasan nyata bahwa motor akan rusak ketika menerapkan tegangan yang lebih tinggi. Kerusakan motor disebabkan oleh:

Bantalan kelebihan beban (misalnya mendorong ke samping pada poros gandar dorong bantalan)
Bantalan overspeed (sebagian besar tergantung pada minyak yang digunakan)
Kuas busur (disebabkan oleh kecepatan tinggi dan pada tingkat yang jauh, jauh lebih kecil juga arus lebih tinggi)
deformasi dan delaminasi struktur internal karena terlalu panas

Selain itu, terlalu panas atau menjalankan motor pada arus yang sangat tinggi akan menyebabkan pengurangan torsi yang signifikan karena saturasi magnetik.

Jika Anda dapat menjamin bahwa Anda menjaga motor Anda dalam batas kecepatan, torsi dan kekuatan serta mendinginkannya dengan baik, tidak ada downside untuk menjalankannya pada tegangan yang lebih tinggi dengan PWM.

— pengguna36129
sumber

Bagaimana tepatnya lebih lambat mengurangi torsi?

d I / d t

$dI/dt$

— Phil Frost

@ PhilFrost Saya seharusnya mengatakan: lebih rendah dikombinasikan dengan PWM. Kemiringan yang lebih lambat berarti nilai rata-rata arus yang lebih rendah selama durasi siklus PWM. Ini paling benar untuk operasi DCM (yang paling sering terjadi dengan kontrol motor PWM, karena Anda menggunakan frekuensi PWM yang sangat rendah) tetapi juga berlaku sampai batas tertentu untuk CCM, walaupun efeknya jauh lebih kecil.

d I / d t

$dI/dt$

— user36129

Apakah Anda yakin DCM adalah norma untuk kontrol motor (dirancang dengan baik)? Wikipedia mengatakan frekuensi kontrol motor PWM berkisar dari "dari beberapa kilohertz (kHz) hingga puluhan kHz untuk drive motor"; ini bukan apa yang saya sebut "sangat rendah", dan dengan sebagian besar motor yang telah saya gunakan, baik di wilayah operasi CCM.

— Phil Frost

Ini sepenuhnya tergantung pada aplikasi Anda. Saya agak mengasumsikan aplikasi motor DC kecil yang khas - barang hobi, pesawat RC, dll. Untuk domain itu, DCM adalah norma. Mereka biasanya dioperasikan paling banyak beberapa kHz, dengan induktansi motor yang sangat rendah (sering <1mH). Karena ukuran saat ini dan fisik naik, sulit untuk melakukan DCM sama sekali dan CCM adalah semua yang dilakukan orang. Dan dengan frekuensi yang sangat rendah, maksud saya wilayah yang dapat didengar. Seharusnya saya menghitungnya.

— user36129

Terima kasih atas jawaban terinci. Tujuan saya adalah untuk merobohkan motornya selambat mungkin dan saya sudah memiliki gigi 1: 1000. Saya menggunakan motor kecil. Motornya berjalan dingin tapi saya khawatir umurnya.

— Gilad

Motor penggerak PWM adalah konverter buck . Sejauh sirkuit dan motor Anda menghasilkan konverter uang yang baik , tidak ada perbedaan antara masing-masing opsi Anda.

Beberapa hal yang perlu diingat:

Pada tegangan yang jauh lebih tinggi, mungkin sekitar , insulasi pada belitan akan gagal. terlalu rendah untuk menjadi perhatian. $1000V$ $20V$

Jika frekuensi PWM Anda terlalu rendah untuk induktansi motor yang berliku, arus pada setiap siklus PWM akan berubah secara signifikan, Anda akan memiliki riak torsi tinggi, dan Anda tidak lagi memiliki konverter buck yang baik . Kinerja dan efisiensi akan berkurang. Dalam kasus ekstrem, Anda mungkin tidak dapat memutar motor .

Sama seperti dengan konverter buck, drive PWM melibatkan transistor dan sirkuit lain yang tentunya menimbulkan kerugian tambahan. Drive PWM juga lebih rumit untuk dirancang, lebih sulit untuk bekerja dengan benar, lebih mahal untuk diimplementasikan, dll. Beberapa kerugian ini (misalnya, kerugian histeresis) ada di dalam motor, dan akan menghasilkan suhu motor yang lebih tinggi, yang merupakan biasanya parameter pembatas untuk kinerja motor, dan suhu yang lebih tinggi secara keseluruhan akan mengurangi masa pakai motor. Namun, Anda akan memerlukan desain yang sangat buruk untuk membuat kerugian mendekati kerugian yang sudah Anda miliki di DC, seperti kerugian resistif pada belitan, sehingga perbedaan antara efisiensi drive PWM dan DC tidak banyak.

— Phil Frost
sumber

Ada beberapa hal yang perlu diwaspadai saat Anda menggunakan PWM.

Pertama, tegangan PWM yang akan dilihat motor Anda akan memiliki harmonisa frekuensi tinggi. Harmoni ini akan menimbulkan kerugian pada motor Anda yang tidak akan ada jika Anda menggunakan tegangan DC. Apakah ini berarti bahwa motor Anda akan menjadi lebih panas ketika dengan PWM vs DC (semua hal lain dianggap sama). Bagaimana ini mempengaruhi kehidupan motor Anda tergantung pada banyak hal. Ada aturan praktis yang sangat kasar di dunia motor yang mengatakan untuk setiap kenaikan 10 ° C dalam suhu koil motor, Anda mengurangi umur insulasi motor hingga setengahnya. Anda harus melakukan uji peringkat pada motor dengan drive PWM yang Anda gunakan untuk menurunkan motor atau untuk memberi tahu Anda seberapa panas penggunaan PWM pada peringkat papan nama. Kebanyakan orang benar-benar siap untuk melakukan tes ini.

Kedua, dengan asumsi Anda berbicara tentang tegangan rendah seperti contoh Anda (5V-20V), peningkatan tegangan itu sendiri mungkin tidak akan banyak berpengaruh pada kehidupan isolasi. Jelas itu tergantung pada motor, tetapi umumnya isolasi di motor dapat menahan tegangan hingga setidaknya 1000 V untuk periode waktu yang singkat. Mengingat lonjakan tegangan karena PWM, ini berarti Anda tidak benar-benar perlu khawatir tentang pengurangan masa isolasi sampai Anda berbicara tentang motor yang berperingkat ~ 400V-600V atau lebih. Tegangan lebih tinggi dengan PWM dapat memiliki efek pada umur sikat tetapi sangat sulit untuk mengatakan tanpa pengujian.

— Eric
sumber